【成功案例】进给伺服系统的原理与应用

运动控制主要涉及步进电机、伺服电机的控制，控制结构模式一般是：控制装置 驱动器 (步进或伺服)电机，本文笔者将根据最近智能硬件众包平台快包平台发布的几个伺服控制器项目，与大家探讨伺服控制技术。

据平台工作人员介绍，上周一位南京的雇主发布了一个伺服电动螺丝刀控制器任务，其中电机及其驱动设计已经完成，要求服务商设计制作控制器，该控制器实现如下控制：带5寸以上彩色显示屏，带触摸操作功能；有急停按键及运行、停止按键；控制螺丝拧紧过程等要求，发布之日，申请人数达十五人。

本文介绍一种进给伺服系统，通过它的原理与应用，让更多的人了解伺服控制技术的真谛。

进给伺服系统是一个典型的机电一体化系统，主要由以下几个部分组成：位置控制单元、速度控制单元、驱动元件(电机)、检测与反馈单元和机械执行部件。

进给伺服系统各模块(单元)之间的联系。从调节原理的角度，进给伺服系统是一种精密的位置跟踪与定位系统，按其位置环路的开放与否，可以分为开环与闭环两种，其中闭环系统按其位置检测元件的安装部位又可分为：全闭环与半闭环两种。全闭环的位置检测元件安装在进给传动链的末端，半闭环的位置检测元件安装在进给传动链中的某个传动元件上。

如果说CNC装置是数控装备的“大脑”，是发布“命令”的“指挥所”，那么进给伺服系统则是数控装置的“四肢”，是一种“执行机构”。进给伺服系统忠实地执行由CNC 装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动方向、进给速度与位移量。

通常在数控机装备往往需要对多个运动部件进行控制，如：数控车床一般有两个进给轴，数控铣床一般有3个进给轴，加工中心则有更多的进给轴(包括直线轴或回转轴)。这些进给轴有的带动装有工件的工作台运动，有的则带动装有刀具的刀架(如车床)或主轴箱(如铣床等)。每个进给轴均是一个进给伺服系统。多个进给伺服系统问的配合和协调，是通过CNC 装置(以指令的方式)实现的。通过多个进给伺服系统的协调，可使刀具相对于加工工件产生复杂的曲线运动，加工出复杂形状的工件。

开环进给伺服系统工作原理

开环进给伺服系统的原理与图1相似，只是没有检测与反馈单元(包括相应的位置和速度检测元件)，驱动电机只能用步进电机，因为通过脉冲既可以控制其速度(脉冲的频率)，又可以控制其位置(脉冲的个数)。

开环进给伺服系统的工作原理如图2所示。


系统接受来自CNC插补指令，即该轴在插补周期内的位移量，按该系统的脉冲当量，将位移量转换成相应的脉冲个数n 和脉冲频率，输出给脉冲环形分配器，由它将脉冲逐一分配给步进电机各相的驱动电源，经其放大后驱动步进电机运行。

闭环和半闭环进给伺服系统的工作原理

闭环和半闭环进给伺服系统所使用驱动电机通常是直流伺服电机和交流伺服电机。由于这类驱动电机只能控制其速度，不能控制其位置，当用于位置控制系统时，只能采用闭环或半闭环控制，不能用于开环控制，所以系统的结构要比开环的复杂。

系统接受来自CNC 插补指令，即该轴在插补周期内的位移量，并以该位移量和由检测与反馈单元测得的执行部件的实际位置值，作为位置控制单元的输入，经过比较器比较，即得位置跟随误差：

跟随误差=位置指令值-实际位置值

以跟随误差为位置控制调节器的输入，按给定的调节规律(P、PI、PID 或其他方法)计算出速度指令值，经数模转换(D／A)后变成速度指令电压，该电压即为速度控制单元的一个输入量。

速度控制单元以位置控制单元输出的速度指令电压和由检测与反馈单元测得的实际速度值为输入，经过比较器比较，即得速度跟随误差：

速度跟随误差=速度指令电压-实际速度电压

以速度跟随误差为速度调节器的输入，按给定的调节规律进行调节可得出伺服电机控制电压，该电压根据伺服电机的不同将变换成不同形式的电量，并经过放大后输出以控制电机的运行。

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